Квантова азбука: «Зоопарк квазічастинок»

kvantedКвантовий світ дуже далекий від нашого, тому його закони часто здаються нам дивними і контрінтуївними. Однак важливі новини з квантової фізики приходять буквально кожен день, так що мати про них правильне уявлення зараз необхідно – інакше робота фізиків в наших очах перетворюється з науки в магію і обростає міфами. Сьогодні мова піде про дивний об’єкт – квазічастинки.

Квазічастинок, насправді, дуже багато. Тому для першого знайомства ми поговоримо про найпростіші з них.

Чим квазічастинки відрізняються від частинок? Тим, що вони сидять у клітці і не можуть вийти. Квазічастинки Придумав Лев Ландау, щоб спростити опис багаточастинкових фізичних процесів, що відбуваються в кристалах. Замість того, щоб вирішувати мільярди рівнянь, що описують рух атомів і електронів в кристалічній решітці, виявилося достатнім записати всього кілька рівнянь для придуманих частинок – квазічастинок – які рухаються по кристалу, як по порожньому простору, не помічаючи окремих атомів або іонів. Володіючи повною свободою всередині кристала, квазічастинки не можуть вийти назовні. Ті з них, які зважаться виглянути за межі кристалічної решітки, повинні будуть різко поміняти свої властивості і перетворитися в звичайні частинки – електрони, іони, фотони.

kvant29Електрон

Чим відрізняється електрон-квазічастинка від електрона-елементарної частинки? Відмінність в масі. Поширюючись в кристалічній решітці, електрон стає легше. Говорячи більш строго: електрон-квазічастинка описується ефективною масою, яка залежить від параметрів кристалічної решітки. У деяких напівпровідникових кристалах ефективна маса електрона буває в 10 і навіть 20 разів менше маси вільного електрона. Більш того, в графені – двовимірному кристалі, що складається з атомів вуглецю, побудованих у формі бджолиних сот – деякі з електронів-квазічастинок взагалі не мають маси. Всі такі електрони літають з однаковою за величиною швидкістю.

kvantc0Дірка

Дірки схожі на бульбашки повітря у воді. Замість води в кристалі електрони. Порожні місця, де немає електронів – це дірки. Так само, як бульбашки газу, вони спливають наверх, на поверхню електронного моря, яка в кристалі називається поверхнею Фермі. Маса дірки негативна – саме тому вона спливає, а не тоне. Дірка має електричний заряд, рівний заряду електрона, однак має протилежний знак. Ви запитаєте: як же порожнє місце може мати електричний заряд? Уявіть, що весь простір заповнений негативно зарядженою водою. Що треба зробити, щоб в маленькому виділеному обсязі заряд став нульовим? Відповідь: треба додати в цей обсяг стільки позитивних зарядів, скільки в ньому було негативних. Позитивний заряд дірки компенсує негативний заряд електронної рідини.

kvant76Ексітон

Ексітон схожий на атом водню. В атомі водню негативно заряджений електрон (елементарна частинка) крутиться навколо позитивно зарядженого протона. В ексітоні негативно заряджений електрон (квазічастинка) крутиться навколо позитивно зарядженої дірки. Концепцію екситона розвинув в 1920-і роки радянський вчений Яків Френкель. Експериментально виявив екситон інший радянський вчений, Євген Гросс, в 1952 році. Через те, що електрон і дірка в кристалі набагато легше електрона і протона в атомі водню, а взаємодія між квазічастинками ослаблене в кристалічній середовищі, екситон виходять дуже великими: характерний розмір екситона може в сотні разів перевищувати розмір атома. Також, на відміну від атома водню, екситон не вічний. Його час життя зазвичай не перевищує однієї мільярдної частки секунди. Після закінчення цього часу бульбашка повітря заповнюється водою: електрон і дірка рекомбінують. Зникаючи, екситон передає свою енергію кристалічній решітці або випромінює квант світла – фотон. Детектуючи світло, випромінене екситонами, ми отримуємо інформацію про їх будову і властивості.

kvantabФотон

Фотон – це квант світла. Проходячи через кристалічну решітку, фотони змінюють свої властивості. Якщо в порожнечі всі фотони летять з однаковою швидкістю – швидкістю світла – то в кристалі багато з них сповільнюються і навіть зупиняються. Це явище називається «повільне світло». Взаємодіючи з екситонами, світло починає вести себе як рідина: віно формує краплі, вири, стоячі хвилі, водоспади. Світло можна направляти через канали, міняти його траєкторію, швидкість, поляризацію. Деякі теоретики навіть вважають, що світло можна заморозити. Фотони, що поширюються в кристалі, – це квазічастинки. Їх властивості відрізняються від властивостей їхніх побратимів, що летять в порожнечі. Наприклад, в порожнечі фотон не має маси, а в кристалі у нього з’являється маса.

kvant96Фонон

Фонони – це кванти коливань кристалічної решітки. Концепція фонона була розроблена радянським фізиком Ігорем Таммом. Фонони виникають через те, що іони, що становлять грати кристала, не стоять на місці, а коливаються поблизу своїх рівноважних положень. Такі коливання складаються в хвилі. Мовою квазичастиц, поширення коливань решітки еквівалентно потоку фононів. Фонони переносять звук, вносять значний вклад в теплопровідність, відповідають за освіту інших квазічастинок – куперовских пар.

kvant19Куперівська пара

При низьких температурах в деяких металах спостерігається надпровідність – поширення електричного струму без опору. Зрозуміти, як виникає це цікаве явище, можна на прикладі двох літаків, що літають один за одним по колу. Літаки – електрони. У металі, як правило, вони носяться з величезними швидкостями (швидкість Фермі). Пролітаючи через кристалічну решітку, електрон випромінює фонон – повільну квазічастинку, парашутиста. Через деякий час інший літак підбирає парашутиста і викидає його знову. Два електрона обмінюються фононами, перебуваючи на досить великій відстані один від одного. Фононний механізм притягання виявляється більш ефективним, ніж відштовхування квазічастинок, що мають однаковий електричний заряд. Сформовані таким чином пари електронів – куперівські пари – мають незвичайну властивість: вони люблять рухатися з однаковою швидкістю. Це і призводить до надпровідності. Уявіть собі безліч автомобілів на шосе. Якби всі вони рухалися з однаковою швидкістю, пробок б не було. Так і потік куперівських пар поширюється без опору.

kvantd1Плазмон

Електрони в кристалі поводяться приблизно так само, як вода в озері. Під дією вітру на поверхні озера утворюються хвилі, які накочуються то на один берег озера, то на інший. Вітер – світло. Хвилі на поверхні електронної рідини – плазмони. Кристал, як ціле, електрично нейтральний. Зсув негативно зарядженої електронної рідини (плазми) щодо позитивно зарядженої кристалічної решітки призводить до коливань електричної поляризації. Ці коливання можуть індукувати світлом відповідної частоти. Взаємодія світла з електронної плазмою дозволяє передавати інформацію. Ця взаємодія використовується в надточних мікроскопах. Крім того, завдяки плазмонам можна міняти колір предметів. Кольорові скла в середньовічних вітражах – тому приклад.

Джерело: https://nplus1.ru/material/2016/05/13/quaziparticles

Leave a Reply